(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機用モータの回転数偏差の平均値に対応する平均電圧指令に基づいて該モータの駆動電圧を制御するように構成された圧縮機用モータの制御装置であって、
前記モータの回転角度を検出する角度検出手段と、
圧縮機の１回転中の負荷トルクの変化パターンに対応したパターンで変化する係数を予め記憶させた記憶手段と、
前記モータの回転角度に基づいて、該回転角度に対応する前記係数を前記記憶手段から出力させる読出し手段と、
前記記憶手段から出力される係数を前記平均電圧指令に乗じて、新たな電圧指令を形成する乗算手段と、を備え、
前記係数は、前記負荷トルクに追従するトルクの発生に必要なモータ駆動電圧に対応する電圧を、前記負荷トルクを平均した平均負荷トルクの発生に必要なモータ駆動電圧に対応する電圧で除すことによって設定される、ことを特徴とする圧縮機用モータの制御装置。
【請求項２】
外気温度を検出する温度検出手段が更に設けられ、
前記記憶手段には、前記係数の変化パターンとして、異なる外気温度に適応する複数の変化パターンが記憶され、
前記複数の変化パターンのうち、前記温度検出手段で検出される外気温度に適応する変化パターンが選択して使用されることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機用モータの制御装置。
【請求項３】
前記乗算手段は、前記モータの回転数が所定の回転数域よりも大きい場合に、前記記憶手段から出力される係数に代えて１を乗算する機能を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮機用モータの制御装置。
【請求項４】
前記読出し手段は、前記圧縮機の１回転中の負荷トルクの変化パターンの位相よりも前記係数の変化パターンの位相が適宜角度進むように前記係数を出力させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の圧縮機用モータの制御装置。
【請求項５】
前記圧縮機駆動用モータがインバータの出力によって駆動されるＤＣブラシレスモータであり、前記指令電圧を前記インバータの制御に用いたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の圧縮機用モータの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機の駆動トルクと負荷トルクの不平衡に基づく回転振動を低減するための圧縮機用モータの制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回転式圧縮機においては、吸入、圧縮、吐出の各行程における冷媒ガス圧の変化のために、定常的な負荷トルク変動が発生する。一方、圧縮機に設けられた駆動モータは、一回転中に一定な駆動トルクを発生するように運転されている。
このため、この回転式圧縮機では、上記駆動トルクと負荷トルクとの不平衡に起因した回転数変動（図４の点線を参照）を生じ、これが振動発生の要因になっている。なお、上記回転数変動に基づく振動は、運転回転数が低回転数域（例えば、２０〜３３ｒｐｓ）の場合に著しくなる。
そこで、回転部分の慣性モーメントを大きくする等の手段を講じて上記回転数の変動を抑制し、それによって、１回転中における定常的な負荷トルク変動に起因した振動を低減することが試みられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記力学的な回転数変動抑制手段では、十分な振動の抑制効果が得られず、しかも、構成が大型化するなどの不都合が発生する。
本発明の課題は、このような状況に鑑み、圧縮機の駆動トルクと負荷トルクの不平衡に起因して発生する回転振動を電気的な処理によって効果的に低減することができる圧縮機用モータの制御装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、圧縮機用モータの回転数偏差の平均値に対応する平均電圧指令に基づいて該モータの駆動電圧を制御するように構成された圧縮機用モータの制御装置であって、前記モータの回転角度を検出する角度検出手段と、圧縮機の１回転中の負荷トルクの変化パターンに対応したパターンで変化する係数を予め記憶させた記憶手段と、前記モータの回転角度に基づいて、該回転角度に対応する前記係数を前記記憶手段から出力させる手段と、前記記憶手段から出力される係数を前記平均電圧指令に乗じて、新たな電圧指令を形成する乗算手段と、を備える。
前記係数は、前記負荷トルクに追従するトルクの発生に必要なモータ駆動電圧に対応する電圧を、前記負荷トルクを平均した平均負荷トルクの発生に必要なモータ駆動電圧に対応する電圧で除すことによって設定される。
請求項２に係る発明では、外気温度を検出する温度検出手段がさらに設けられ、前記記憶手段には、前記係数の変化パターンとして、異なる外気温度に適応する複数の変化パターンが記憶され、前記複数の変化パターンのうち、前記温度検出手段で検出される外気温度に適応する変化パターンが選択して使用される。
請求項３に係る発明では、前記乗算手段が、前記モータの回転数が所定の回転数域よりも大きい場合に、前記記憶手段から出力される係数に代えて１を乗算する機能を備えている。
請求項４に係る発明では、前記圧縮機の１回転中の負荷トルクの変化パターンの位相よりも前記係数の変化パターンの位相が適宜角度進むように前記読出し手段が前記係数を出力させる。
請求項５に係る発明では、前記圧縮機駆動用モータがインバータの出力によって駆動されるＤＣブラシレスモータであり、前記指令電圧を前記インバータの制御に用いるようにしている。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明に係る圧縮機用モータの制御装置の実施形態を示す図１において、回転式圧縮機１は、インバータ２の出力によって駆動されるＤＣブラシレスモータ３と、このモータ３によって駆動される圧縮機本体４とを備えている。
【０００６】
図２に示すように、上記ＤＣブラシレスモータ３のロータ６には、Ｎ極に着磁された一対の磁石６ａおよびＳ極に着磁された一対の磁石６ｂがそれぞれロータシャフト７を中心とする対称位置に配設されている。なお、磁石６ａ，６ｂは、ロータ６の周方向に９０°の間隔をおいて交互に配列している。
【０００７】
上記ロータシャフト７には、前記圧縮機本体４のクランクシャフトを結合するためのキー溝７ａが設けられている。図２の状態では、上記キー溝７ａ側に位置するＮ極磁石６ａの周方向中心がステータ８に設けられたＶ１相巻線８ａの周方向中心と一致し、ロータシャフト７を挟んで反対の側に位置したＮ極磁石６ａの周方向中心が、ステータ８に設けられたＶ２相巻線８ｂの周方向中心と一致している。
【０００８】
上記状態でのキー溝７ａの方向をロータ６の回転角度０°として、上記モータ３をインバータ２の出力によって回転駆動すると、上記Ｖ１相巻線８ａおよびＶ２相巻線８ｂに図３に点線で示すような電圧が誘起される。そして、ロータ６の回転角度の変化に伴って、該ロータ６の磁極が図示のように変化する。
【０００９】
図１に示した回転角度・回転数検出部１０は、上記モータの誘起電圧に基づいてモータ３の回転角度および回転数を検出する。すなわち、図３に示すＶ相誘起電圧のゼロクロス点の間隔、つまり、該電圧の変化周期は、モータ３の回転数に応じて変化する。そこで、この回転角度・回転数検出部１０では、上記誘起電圧の周期に基づいてモータ３の回転数を検出する。
【００１０】
一方、モータ３の回転数は、負荷変動のために図４に点線もしくは実線で示すパターンで周期的に変動する。この変動パターンでは、０°前後の回転角度において回転数が極小値から上昇する傾向を示すが、このような傾向の回転数の上昇はモータ３が１回転する間において１回だけ発生する。そこで、上記回転角度・回転数検出部１０は、上記回転数の上昇期間に上記誘起電圧がゼロクロスした時点でモータ３の回転角度が０°であると認識し、かつ、その後に誘起電圧が１回目、２回目および３回目にゼロクロスする時点のモータ３の回転角度をそれぞれ９０°，１８０°および２７０°と認識する。
【００１１】
次に、制御開始指示部１１について説明する。前記圧縮機本体４が圧縮動作を開始するときのロータ６の回転角度は、予め機械的に決定されている。いま、説明の容易化を図るために、ロータ６の回転角度が０°である図２の状態において圧縮機本体４が圧縮動作を開始するものとすると、圧縮機１の負荷トルクは、該圧縮機１が１回転する間に図５に曲線で例示した態様で変動する。
【００１２】
後述するように、本発明に係る制御装置は、上記のように変動する圧縮機１の負荷トルクに見合ったトルクをモータ３が発生するように該モータ３を制御するものである。したがって、その制御を実現するためには、圧縮機本体４の圧縮動作開始タイミングを検出する必要がある。
【００１３】
そこで、制御開始支持部１１は、前記回転角度・回転数検出部１０によって検出されるモータ３の回転角度に基づいて、該回転角度が所定の圧縮開始角度（この例では、０°）になるタイミングを圧縮機本体４の圧縮動作開始タイミングとして検出し、上記圧縮開始角度よりもθ°だけ進んだ回転角度（図３参照）を制御開始回転角度として指示する。なお、上記進み角θ°は、制御の遅れを補償するために設定されたものである。
【００１４】
次に、電圧制御パターン偏差テーブル１２について説明する。図５に示すトルクＴ１〜Ｔ６は、６０°の間隔で分割した６つの回転角度区間における圧縮機１の負荷トルクの平均値をそれぞれ示している。
上記各負荷トルクＴ１〜Ｔ６の発生に必要なインバータ２の出力電圧は、それぞれ演算やシュミレーション等によって予め決定することができる。また、圧縮機１が１回転する間での平均負荷トルクを図５に示すＴavとすると、この平均負荷トルクＴavの発生に必要なインバータ２の出力電圧も演算やシュミレーション等によって予め決定することができる。
【００１５】
上記各平均トルクＴ１〜Ｔ６の発生に必要なインバータ２の出力電圧に対応する電圧をＶ１〜Ｖ６、上記平均負荷トルクＴavの発生に必要なインバータ２の出力電圧に対応する電圧をＶav とすると、上記電圧制御パターン偏差テーブル１２は、図６に示す関係、つまり、上記電圧Ｖ１〜Ｖ６を、それぞれ上記電圧Ｖavで除した制御係数値（Ｖ１／Ｖav）〜（Ｖ６／Ｖav）と、これ等の制御係数値に対応する各回転角度間隔との関係を記憶している。
【００１６】
減算部１３は、圧縮機１の目標回転数（モータ３０の目標回転数）と、回転数検出部１０によって検出される圧縮機１の実回転数との偏差を算出するものである。
また、Ｐ・Ｉ補償部１４は、この回転数偏差に比例・積分補償を施すものであり、圧縮機１の回転数偏差の平均値に対応する上記電圧Ｖavを平均電圧指令として出力する。
【００１７】
切換スイッチ素子１５は、圧縮機１の目標回転数が所定の低回転数域の回転数であるか否かを判断し、低回転数域の回転数である場合にオン動作する。そしてオン状態で電圧制御パターン偏差テーブル１２から読み出される制御係数値を選択し、オフ状態で設定部１６で設定された制御係数値１を選択する。
乗算部１７は、前記Ｐ・Ｉ補償部１４の出力（平均電圧指令）にスイッチ１５で選択された制御係数値を乗じる演算を実行し、その演算結果を電圧指令としてｕ，ｖ，ｗ位相切換え部１８に出力する。
【００１８】
ｕ，ｖ，ｗ位相切換え部１８は、ＰＷＭ信号生成手段を内蔵し、前記回転角度・回転数検出部１０によって検出される回転角度と上記電圧指令とに基づいて、該電圧指令信号をｕ，ｖ，ｗ電圧制御信号に変換する。なお、このｕ，ｖ，ｗ電圧制御信号は、インバータ２に加えられる。
【００１９】
以下、上記構成のモータ制御装置によるモータ３の具体的な制御について説明する。
いま、目標回転数が低回転数域の回転数よりも高い回転数に設定されているとすると、この場合、上記スイッチ素子１５がオフするので、乗算部１７においてＰ・Ｉ補償部１４の出力に係数１が乗じられることになり、その結果、該Ｐ・Ｉ補償部１４の出力がｕ，ｖ，ｗ位相切換え部１８に直接入力される。
【００２０】
すなわち、上記Ｐ・Ｉ補償部１４からは、減算部１３から出力される回転数偏差（図４参照）を平均した平均電圧指令が出力されるので、上記スイッチ素子１５がオフした状態では、この平均電圧指令がｕ，ｖ，ｗ位相切換え部１８に電圧指令として直接入力されることになる。
そこで、ｕ，ｖ，ｗ位相切換え部１８は、上記平均電圧指令に対応するｕ，ｖ，ｗ電圧制御信号をインバータ２に出力し、その結果、モータ３が前記平均トルクＴavを発生するように駆動される。
【００２１】
つぎに、目標回転数が低回転数域の回転数に設定されている場合について説明する。この場合には、上記スイッチ素子１５がオンするので、乗算部１７においてＰ・Ｉ補償部１４の出力に電圧制御パターン偏差テーブル１２の出力が乗じられることになる。
前記制御開始指示部１１は、圧縮機１の回転角度が図３に示した制御開始角度になるタイミングで偏差テーブル１２の記憶内容の読み出しを指示するので、偏差テーブル１２からは、上記回転角度が制御開始角度から６０°増分する度に図６に示す制御係数値（Ｖ１／Ｖav），（Ｖ２／Ｖav），・・・（Ｖ６／Ｖav）が順次出力される。
【００２２】
前記したように、Ｐ・Ｉ補償部１４は平均トルクＴavに対応する電圧Ｖavを出力するので、乗算部１７からは図６に示す電圧Ｖ１，Ｖ２，・・・Ｖ６が新たな電圧指令として順次出力されることになる。
この結果、モータ３のトルクは、圧縮機本体４が１回転する間、図５に示したように、Ｔ１，Ｔ２，・・・Ｔ６という態様で変化することになる。つまり、負荷トルクの変動に追従して変化することになる。
【００２３】
圧縮機１の振動は、図２に示した圧縮機の負荷トルクの変動に基づく回転変動よってもたらされるが、上記のようにモータ３のトルクを負荷トルクに追従して変化させれば、図４に実線で示すように回転数の変動が抑制されて、圧縮機１の振動が低減される。
なお、図３に示す制御開始角度を規定する進み角θ°は、モータ３のトルク制御が負荷トルクの変化に遅れないように適宜設定される。
【００２４】
上記実施形態では、圧縮機１が低回転数域の回転数で運転されているときのみに、モータ３のトルクを負荷トルクに追従させる制御（アクティブ制御）を実行しているが、このような制御を圧縮機１の全回転数域で実施することも可能である。しかし、以下の点を勘案した場合、上記の制御を低回転数域のみで実行することが有利である。
▲１▼  上記のトルク追従制御を実行した場合には、インバータ２に流れる電流が増加するので、該インバータ２での損失が大きくなる虞がある。
▲２▼  図７に示すように、圧縮機１の振動の値は、モータ３の回転数の二乗分の１の割合で低下する傾向を示す。
【００２５】
ところで、図５に示した負荷トルクの変動パターンは、ほぼ一定であるとみなすことができるが、例えば、外気温度が大きく異なる場合には多少変化することになる。そこで、異なる外気温度に適応する複数の制御係数値変化パターンを前記電圧制御パターン偏差テーブル１２に記憶させるとともに、上記外気温度を検出するセンサを設け、このセンサの検出温度に基づいて上記複数の制御係数値変化パターンの中からその検出温度に対応する制御係数値変化パターンを選択するようにしても良い。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、モータのトルクが圧縮機の負荷トルクに追従して変化するので、上記負荷トルクの変動に基づく圧縮機の回転変動、つまり、圧縮機の駆動トルクと負荷トルクの不平衡に起因して発生する回転振動が低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧縮機用モータの制御装置の実施形態を示すブロック図。
【図２】ＤＣブラシレスモータの構造を示す概念図。
【図３】圧縮開始角度と制御開始角度の関係およびモータの磁極変化の態様を例示したグラフ。
【図４】回転数変動の態様を例示したグラフ。
【図５】負荷トルクの変動パターンに対するモータの駆動トルクの変化パターンを例示したグラフ。
【図６】偏差テーブルの記憶内容を例示したグラフ。
【図７】圧縮機の回転数と振動値との関係を例示したグラフ。
【符号の説明】
１  圧縮機
２  インバータ
３  モータ
４  圧縮機本体
１０  回転角度・回転数検出部
１１  制御開始指示部
１２  電圧制御パターン偏差テーブル
１３  減算部
１４  Ｐ・Ｉ補償部
１５  切換スイッチ素子
１６  設定部
１７  乗算部
１８  位相切換え部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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